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如何用Pico高分辨示波器测心电图电路

发布时间:2019-07-29    浏览次数:37

  心电图简称ECG(也叫EKG, 取自德语Electrode-Kardiographie)记录的是心脏的电信号,是检查心脏疾病的重要手段。本文使用英国比克科技Pico Technology的数据记录仪DrDAQ,来读取并记录心电图数据,以下所有的测量和记录操作使用PicoScope示波器也能实现。


  英国生理学家奥古斯都。D.沃勒是心电检查的先驱人物,早在1887年他就发布了世界上第一张人体心电图。然而在1911年,沃勒消极地预测:“我无法想象心电图会在医院深入使用,它最多在一些偶然情况下用来印证一些罕见的心脏病变”。戏剧性的是,仅仅13年后,诺贝尔奖就授予而了德国生理学家威廉厄姆。埃因霍芬,他把这个神奇生理现象变成了一种临床上不可或缺的检测仪器,它到今天仍然被广泛使用。

  什么是心电图(ECG/EKG)

  就是心脏组织产生的电活动反应在体表的电位。离子的形式电流表征了心肌纤维的收缩活动,即心脏的泵血功能。自从1913年埃因霍芬发明弦式电流计并将它应用在临床诊断上,ECG就成了一种有价值的、无损的诊断工具。

  最简单的记录方式也被称为三导ECG(现在更多的有六导、十二导),也就是从身体的三个部位获取电流(被称为埃因霍芬三角,这是一个以心脏为中心的等边三角形),L1和L2两个点的电位差随时间变化的曲线,就是ECG心电图。而L3则是作为一个共地点,把人体和记录设备共地。

  把ECG曲线和心脏中的电信号事件对应起来是一个公认的逆向难题,其中的难点在于把心电信号和体表的其他杂波电信号区分开来。

  关于ECG应用

  本文所实践的ECG设备基于肖恩。卡尔森于2000年6月发表在《科学美国人》的《科学家自画像》一文。这篇文章描述了一种电路结构,基于仪器放大器来测量ECG信号。

  下图中的实际电路基于此略有修改,然后用Pico Technology 比克科技的一块DrDAQ采集卡来读出并记录数据。


  图1: ECG连接原理图

  采样结果

  下图展示了采样曲线,就是按照埃因霍芬的三导ECG法连接并测得的。


  图2:L1和L2连接在胸部



  图3:L1和L2连接在腕部

  ECG 电子电路介绍

  特别提醒:强电伤人,实际操作前请阅读相关安全说明。

  之前提过,ECG应用的电路和肖恩。卡尔森在《科学美国人》上发表的文章里提及的类似。具体电路如下图所示,核心是一枚AD624AD仪器放大器(美国Analog Devices公司出品)


  图4:ECG电路图

  输入线缆和连线

  放大器从一个贴在人体上的自粘式电极获得电信号输入,由于信号的幅度非常小,放大器很容易受不同噪声源的影响,因此连接电极和电路之间的线缆必须尽可能的短,尽可能屏蔽良好。本文选取的是带有Lemo接头的RG-174 50欧姆同轴线,这些线缆很适合实验测试,因为它们不但坚固耐用,而且又轻又薄。而且Lemo接口能很方便地在固定在封装电路板的铝钣金外壳上,容易拔插。

  考虑到安全因素,这个测试要把人体和一个带有强电的电子设备相连接,所以在放大器的输入端同时并入了保护二极管。本实验中的ECG电路用的是两节9V电池供电,本身还在安全电压以下。但是一旦后面和示波器、记录仪、计算机等通过市电供电的设备相连,就不得不考虑用电安全了。在极端情况下,如果由于某种原因,电源供电出现了浪涌,导致一些灾难性的后果,可以想象市电的电压也许会传导到放大器的输入端。虽然,这种情况不太可能发生,但是一旦出现了,放大器的输入级最大电压也可以被二极管限定在0.6V,大电流直接短路到地了。这对测试结果不会产生严重的影响,因为实测的心电信号远小于0.6V。并且,必须用一对双向二极管,来限制正负两个方向的浪涌。此外,还有一种方法来提高安全性是重新设计电路,利用光隔离式器件,从根本上隔离高压供电电源和电极(一般能承受几千伏)。

  输出线缆与电路

  对于输出信号,金属外壳上安装的是一个带保护套BNC连接器,这样输出信号就能经由50欧姆匹配的同轴线缆直接连到示波器上。

  电路的输出部分相比《科学美国人》文章里面的略有差别,为的是让它能方便的连接DrDAQ,满足它输入0-5V的限制范围。当然这样还是不能很好地与ECG信号匹配,因为它是正负双极性的脉冲。于是,我们在电路的输出端再串联一个1uF的隔直电容,来实现AC耦合,然后用一个上拉电阻把直流电平上拉到2V左右。供电电源是9V,而测得ADC的输出电阻是180K欧姆,因此上拉电阻阻值选取了680K欧姆。

  供电问题

  供电电源是两块9V的电池,它们给放大器和上拉输出供电。电池的两极通过一个便于开关的装置输出到电路里面,并且在此处放置了去耦电容。

  接地与降噪

  电路的地,输入和输出端的线缆都连接到了屏蔽金属壳上。这是出于如下考虑:电路的输出能够经由任何一个与其相连的设备接地,不论是示波器还是计算机。这些外围设备都会通过市电连接到地。

  不过,在后面的安全须知中还会提到,这种自制的电路一旦上电工作,务必万分小心。从原理上说,用一台电池供电的笔记本电脑来读取数据会更加安全,然而这会让电脑处于浮地状态,在没有良好接地的情况下,会有非常大的噪声,很有可能会淹没ECG信号本身。如果电路能有其他路径良好接地,那么使用电池供电的笔记本电脑会是一个不错的选择。

  即使是笔记本电脑插入市电电源,仍然会有很可观的噪声产生。实践中最好的办法就是把连接电路和被测物的线缆尽量缩短,从而减少感性噪声耦合。

  关于这类电路中的降噪手段,可以单独作为一个专题来讨论。

  安全须知

  任何想要实际进行本文所述操作的人,都必须认真的阅读和理解安全准则。

  在上一节曾经提到过,当人体和任何带电设备连接,必须比平常更加小心在意。

  因为一个不留神就可能引发严重的甚至致命的后果。

  连接到身体的电极,形成了一个很好地电流通路,L1和L2两极之间的阻值大约只有50K欧姆。

  专业级的医疗设备,都会有严格的过压保护措施,保证强电的波动不会对人体产生伤害。本文中的保护措施就是一对限压二极管。为了更好地进行保护,就需要用到光隔离器件了,把弱电电路和强电电源完全隔离开。

  在雷雨天气,不建议使用ECG设备。

  确保只有在你有足够的知识,并能够熟练操作电路时才进行以上实验,否则请不要轻易尝试,请不要轻易尝试,请不要轻易尝试。

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